تطبيق مواد ألياف الكربون المركبة في المحيط

مادة ألياف الكربون المركبة هي مادة مقواة بالألياف مصنوعة من ألياف الكربون والراتنج والمعادن والسيراميك ومواد أخرى. بفضل خفة وزنها ومتانتها العالية ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية، استُخدمت على نطاق واسع في صناعات الطيران، والرياضة، والترفيه، والسكك الحديدية عالية السرعة في السنوات الأخيرة، وفي مجالات السيارات والهندسة المدنية. تتميز مواد ألياف الكربون المركبة بمقاومة ممتازة للتعب والتآكل، بالإضافة إلى أداء بناء ممتاز بفضل قوتها العالية ومتانتها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البحرية ذات المتطلبات الخاصة لخصائص المواد. ترقبوا المزيد. في السنوات الأخيرة، لعبت مركبات ألياف الكربون دورًا متزايد الأهمية في بناء السفن، وتطوير الطاقة البحرية، وإصلاحات الهندسة البحرية.

1.التطبيق على متن الطائرة
تتميز مركبات ألياف الكربون بمزايا طبيعية تتفوق بها على مواد بناء السفن التقليدية. أولًا، تتميز بخواص ميكانيكية ممتازة. يتميز هيكل السفينة بخفة وزنه وانخفاض استهلاكه للوقود، كما أن عملية البناء بسيطة نسبيًا، ودورة تصنيعه قصيرة، وسهولة تشكيله، ما يجعل تكاليف البناء والصيانة أقل بكثير من تكلفة السفن الفولاذية. في الوقت نفسه، بفضل السطح البيني بين ألياف الكربون ومصفوفة الراتنج، تمنع هذه المادة انتشار التشققات بفعالية، وتتمتع بمقاومة جيدة للتعب. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل الخمول الكيميائي لسطح ألياف الكربون، يتميز هيكل السفينة بخصائص تجعله مقاومًا للتآكل ومقاومة للنباتات المائية، وهو ما ينطبق أيضًا على بناء السفن. يُعد اختيار المواد أحد أهم العوامل في هذا المجال. لذلك، تتميز مركبات ألياف الكربون بمزايا أداء شاملة فريدة في بناء السفن، وتُستخدم على نطاق واسع في هذا المجال. في الوقت نفسه، ساهم توسع تطبيقات صناعة ألياف الكربون في تطويرها.

1.1 السفن العسكرية

تتميز مركبات ألياف الكربون بخصائص صوتية ومغناطيسية وكهربائية ممتازة: فهي شفافة ونفاذة للصوت وغير مغناطيسية، مما يُحسّن من أداء التخفي للسفن الحربية. لا يقتصر استخدام المواد المركبة في الهيكل العلوي للسفينة على تقليل وزن الهيكل فحسب، بل يُمكّنها أيضًا من نقل واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية بتردد مُحدد مسبقًا من خلال حجب طبقة انتقائية التردد مُدمجة في الطبقة البينية لحماية الموجات الكهرومغناطيسية الرادارية للعدو. على سبيل المثال، استخدمت طرادات فئة "skjold" التي بنتها البحرية النرويجية عام ١٩٩٩ مركبًا شطيريًا يتكون من طبقة أساسية من رغوة كلوريد البوليفينيل، وألياف زجاجية، وألياف كربونية. لا يُحسّن هذا التصميم نسبة القوة إلى الوزن فحسب، بل يتميز أيضًا بمقاومة جيدة للصدمات. كما يُعزز الأداء بشكل كبير خصائص المسح المغناطيسي المنخفض، والمسح المضاد للأشعة تحت الحمراء، والمسح المضاد للرادار. تستخدم الفرقاطات السويدية من فئة فيسبي، والتي دخلت الخدمة في عام 2000، جميعها مواد مركبة من ألياف الكربون، والتي تتميز بوظائف خاصة تتمثل في خفض الوزن والرادار والتخفي المزدوج بالأشعة تحت الحمراء.

برز استخدام الصواري المركبة المقواة بألياف الكربون على السفن تدريجيًا. تستخدم سفينة LPD-17، التي دخلت الخدمة في الولايات المتحدة عام 2006، صاريًا مركبًا متطورًا من ألياف الكربون/خشب البلسا. وخلافًا للصاري المفتوح الأصلي، تستخدم سفينة LPD-17 نظام صاري/استشعار مغلق بالكامل (AEM/S). يغطي الجزء العلوي من هذا الصاري المركب من ألياف الكربون مادة السطح الانتقائية للتردد (FSS)، مما يسمح بمرور الموجات ذات التردد المحدد، بينما يعكس النصف السفلي موجات الرادار أو يمتصها مواد امتصاص الرادار. لذلك، يتميز بوظائف كشف وتخفي راداري ممتازة. بالإضافة إلى ذلك، تتكامل الهوائيات المختلفة والمعدات ذات الصلة بشكل موحد في الهيكل، مما يمنع تآكلها بسهولة، ويسهل صيانتها. طورت البحرية الأوروبية صاريًا استشعاريًا مشابهًا مغلقًا ومتكاملًا مصنوعًا من ألياف زجاجية نانوية ممزوجة بألياف الكربون كتعزيز. يسمح هذا النظام بمرور حزم الرادار المختلفة وإشارات الاتصالات بسلاسة، مع انخفاض كبير في معدل فقدان الإشارة. في عام 2006، تم استخدام هذه التقنية المتقدمة في حاملة الطائرات "رويال آرك" التابعة للبحرية البريطانية.

يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون في جوانب أخرى من السفينة. على سبيل المثال، تُستخدم كمروحة ونظام أعمدة دفع في نظام الدفع لتخفيف آثار الاهتزاز والضوضاء في الهيكل، وتُستخدم غالبًا في سفن الاستطلاع والسفن السياحية السريعة. كما تُستخدم كدفة في الآلات والمعدات، وبعض الأجهزة الميكانيكية الخاصة، وأنظمة الأنابيب. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم حبال ألياف الكربون عالية القوة على نطاق واسع في كابلات السفن الحربية البحرية وغيرها من المعدات العسكرية.

1.2 اليخوت المدنية

عادةً ما تكون اليخوت الكبيرة مملوكة للقطاع الخاص، وهي باهظة الثمن، وتتطلب خفة الوزن، وقوة تحمل عالية، ومتانة. يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون في أقراص وهوائيات اليخوت، ودفات التوجيه، وفي الهياكل المعززة مثل الأسطح، والكبائن، وحواجز السفن. يُصنع اليخت المركب التقليدي بشكل أساسي من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP)، ولكن نظرًا لضعف صلابته، غالبًا ما يكون هيكله ثقيلًا جدًا بعد استيفاء متطلبات تصميم الصلابة، كما أن الألياف الزجاجية مادة مسرطنة، وهي مادة محظورة تدريجيًا في الخارج. وقد زادت نسبة مركبات ألياف الكربون المستخدمة في اليخوت المركبة اليوم بشكل ملحوظ، حتى أن البعض استخدمها. على سبيل المثال، في يخت "بنما" الفخم ذي الصندل المزدوج من شركة "بالتيك"، يُحاط الهيكل والسطح بطبقة من ألياف الكربون/راتنج الإيبوكسي، وطبقة من ألياف نومكس  العسلية، ونواة رغوية هيكلية من Corecell™. يبلغ طول الهيكل 60 مترًا، بينما يبلغ الوزن الإجمالي 210 أطنان فقط. صنريف 80 ليفانتي، وهو قارب كاتاماران من ألياف الكربون، من إنتاج شركة صنريف ياختس البولندية، يستخدم مركبات ساندويتش من راتنج فينيل إستر، ورغوة بولي كلوريد الفينيل، ومركبات ألياف الكربون. أذرع الصاري مصنوعة من مركبات ألياف الكربون المُخصصة، وجزء فقط من الهيكل مصنوع من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP). يبلغ وزنه بدون حمولة 45 طنًا فقط. يتميز بسرعة عالية، واستهلاك منخفض للوقود، وأداء ممتاز.

يُعد يخت "تشونغكي ليانيا"، الذي بُني عام ٢٠١٤، اليخت الوحيد المصنوع بالكامل من ألياف الكربون في الصين حاليًا. وهو يخت صديق للبيئة مصنوع من مزيج من ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي. وهو أخف وزنًا بنسبة ٣٠٪ من نفس النوع من يخوت الألياف الزجاجية، ويتميز بمتانة أكبر وسرعة أكبر واستهلاك أقل للوقود.

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم في كابلات اليخت حبال من ألياف الكربون عالية القوة لضمان السلامة. ولأن ألياف الكربون تتمتع بمعامل شد أعلى من الفولاذ، وقوة شد تصل إلى عدة أضعاف أو حتى عشرات المرات، بالإضافة إلى امتلاكها خاصية النسيج التي تتميز بها الألياف، يُستخدم حبل ألياف الكربون كمادة أساسية، مما يُعوّض عن حبل الأسلاك الفولاذية وحبل البوليمر العضوي. غير كافٍ.
2. التطبيق في تطوير الطاقة البحرية

2.1 حقول النفط والغاز تحت الماء

في السنوات الأخيرة، أصبحت مواد ألياف الكربون المركبة مستخدمة على نطاق واسع في مجال تطوير النفط والغاز البحري. يفرض التآكل في البيئة البحرية والقص العالي والقص القوي الناجم عن تدفق المياه تحت الماء متطلبات صارمة على مقاومة التآكل والقوة وخصائص التعب للمادة. تتميز مركبات ألياف الكربون بمزايا واضحة في خفة الوزن والمتانة ومقاومة التآكل في تطوير حقول النفط البحرية: تحتوي منصة الحفر على عمق 1500 متر على كابل فولاذي بكتلة حوالي 6500 طن، بينما كثافة مركبات ألياف الكربون هي فولاذ عادي. 1/4، إذا تم استخدام مادة ألياف الكربون المركبة لاستبدال جزء من الفولاذ، فسيتم تقليل سعة تحميل منصة الحفر بشكل كبير، وسيتم توفير تكلفة بناء المنصة. ستؤدي الحركة الترددية لقضيب الشفط بسهولة إلى إجهاد المواد بسبب الضغط غير المتوازن بين مياه البحر والضغط داخل الأنبوب. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق كسر واستخدام مادة ألياف الكربون المركبة. بسبب مقاومة التآكل لبيئة مياه البحر، فإن عمرها الافتراضي في مياه البحر أطول من الفولاذ، وعمق الاستخدام أعمق.

يمكن استخدام مركبات ألياف الكربون في أنابيب الآبار الإنتاجية، وقضبان الشفط، وخزانات التخزين، وخطوط الأنابيب البحرية، والأسطح، وغيرها في منصات حفر حقول النفط. تنقسم عملية التصنيع إلى عملية البثق بالسحب وعملية اللف الرطب. يُستخدم البثق بالسحب عادةً في الأنابيب العادية وأنابيب التوصيل. تُستخدم طريقة اللف عادةً في سطح خزان التخزين ووعاء الضغط، ويمكن استخدامها أيضًا في الأنابيب المرنة متباينة الخواص، حيث تُلف مادة ألياف الكربون المركبة وتُرتب بزاوية محددة في طبقة الدرع.

قضيب الشفط المستمر المصنوع من مادة ألياف الكربون المركبة هو هيكل يشبه الشريط، يشبه الفيلم، ويتميز بمرونة جيدة. صُنع وطبق في الولايات المتحدة في التسعينيات. وهو مصنوع من ألياف الكربون كألياف مُقوّاة وراتنج غير مُشبع كمادة أساسية. يُنتج بتقنية البثق بالسحب بعد المعالجة بالتشابك في درجات حرارة عالية. بين عامي 2001 و2003، استخدمت الصين قضيب شفط من ألياف الكربون وقضيب شفط فولاذي عادي في حقول النفط الخام لإنتاج محرك تجريبي. يُمكّن استخدام قضيب الشفط من ألياف الكربون من زيادة إنتاج الزيت بشكل كبير وتقليل حمل المحرك، مما يُحسّن كفاءة الطاقة. علاوة على ذلك، يتميز قضيب الشفط المُركب من ألياف الكربون بمقاومة أكبر للتعب والتآكل من قضيب الشفط الفولاذي، وهو أكثر ملاءمة للاستخدام في تطوير حقول النفط تحت سطح البحر.

2.2 طاقة الرياح البحرية

تُعدّ موارد طاقة الرياح الوفيرة في البحر مجالًا مهمًا للتطوير المستقبلي، وهو المجال الأكثر تطورًا وتطلبًا في تكنولوجيا طاقة الرياح. يبلغ طول ساحل الصين حوالي 1800 كيلومتر، وتضم أكثر من 6000 جزيرة. تتميز مناطق الساحل الجنوبي الشرقي والجزر بوفرة موارد الرياح وسهولة تطويرها. في السنوات الأخيرة، دعمت الجهات المعنية جهود تعزيز تطوير طاقة الرياح البحرية. يتكون أكثر من 90% من وزن شفرات طاقة الرياح من مواد مركبة. تتطلب الرياح القوية في البحر وتوليد الطاقة العالية شفرات أكبر وقوة ومتانة أفضل. ومن الواضح أن مواد ألياف الكربون المركبة قادرة على تلبية متطلبات تطوير شفرات توليد طاقة واسعة النطاق وخفيفة الوزن وعالية الأداء ومنخفضة التكلفة، وهي أكثر ملاءمة للتطبيقات البحرية من مواد الألياف الزجاجية المركبة.

تتميز مركبات ألياف الكربون بمزايا كبيرة في توليد طاقة الرياح البحرية. تتميز شفرة ألياف الكربون المركبة بجودة منخفضة وصلابة عالية، ومعامل مرونة أعلى من 3 إلى 8 أضعاف معامل مرونة الألياف الزجاجية؛ وتتميز برطوبة عالية في البيئة البحرية، وتقلبات مناخية، وعمر تشغيل طويل للمروحة يصل إلى 24 ساعة. تتميز الشفرة بمقاومة جيدة للتعب والظروف الجوية السيئة، مما يُحسّن الأداء الديناميكي الهوائي للشفرة، ويقلل الحمل على البرج والمحور، مما يجعل طاقة خرج المروحة أكثر سلاسة وتوازنًا، ويعزز كفاءة الطاقة. بفضل تصميمها الهيكلي الخاص، يُمكّن الأداء الموصل من تجنب أضرار الصواعق على الشفرة بفعالية، ويُقلل من تكاليف تصنيع ونقل شفرة توربينات الرياح، ويتمتع بخصائص تخميد الاهتزاز.

3. تطبيقات الهندسة البحرية

تُستخدم مواد ألياف الكربون المركبة في مباني الهندسة البحرية. تتميز هذه المواد بخفة وزنها ومتانتها العالية ومقاومتها للتآكل، وتحل محل مواد البناء الفولاذية التقليدية في شكل أوتار وأجزاء هيكلية، وذلك لحل مشكلة ارتفاع تكلفة نقل الفولاذ الناتج عن تآكل مياه البحر. وقد طُبقت هذه المواد في مباني الشعاب المرجانية في الجزر البحرية، والأرصفة، والمنصات العائمة، وأبراج الإنارة، وغيرها. بدأ استخدام مركبات ألياف الكربون في الترميم الهندسي في ثمانينيات القرن الماضي، وكانت شركة ميتسوبيشي للكيماويات اليابانية رائدة في البحث عن الخصائص الميكانيكية لمركبات ألياف الكربون وتطبيقاتها في التعزيزات الهندسية. ركز البحث في البداية على تعزيز عوارض الخرسانة المسلحة باستخدام مركبات ألياف الكربون، والتي تطورت لاحقًا لتشمل تعزيزات وتدعيم مختلف أعمال الهندسة المدنية. يُعد إصلاح منصات النفط البحرية والموانئ باستخدام مركبات ألياف الكربون أحد جوانب تطبيقها. وهناك العديد من الوثائق ذات الصلة. تجدر الإشارة إلى أن شركة DFI الأمريكية استخدمت قضبان ألياف الكربون لإصلاح محطة بيرل هاربور التابعة للبحرية. في ذلك الوقت، استخدم الفنيون قضبان ألياف الكربون المبتكرة لإصلاح التعزيزات. رصيف إصلاح قضبان ألياف الكربون يتحمل فولاذًا بوزن 9 أطنان من ارتفاع 2.5 متر. يسقط دون أن يتضرر، وتأثيره المعزز واضح.

فيما يتعلق بتطبيقات مركبات ألياف الكربون في الهندسة البحرية، يُستخدم أيضًا نوع من إصلاح وتقوية خطوط الأنابيب أو الأعمدة البحرية. إلا أن طرق الصيانة التقليدية، مثل اللحام، وتحسين اللحام، والمشابك، والحقن، وغيرها، لها حدودها الخاصة، واستخدامها في البيئة البحرية أكثر محدودية. يُصنع إصلاح مركبات ألياف الكربون بشكل أساسي من مواد راتنجية عالية القوة والالتصاق، مثل قماش ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي، والتي تلتصق بسطح الإصلاح، مما يجعلها رقيقة وخفيفة الوزن، وعالية القوة، ومتينة، وسهلة التركيب، وقابلة للتكيف مع مختلف الأشكال. وتتميز هذه المواد بميزة كبيرة.